用于智能机器人的指纹识别装置、触屏显示器、智能设备的制作方法

本发明涉及触摸屏显示器领域，特别是涉及一种用于智能机器人的能够有效地提高指纹识别效率的触摸屏显示器和智能设备。

背景技术：

随着机器人技术的发展，机器人被应用于各个领域，现有的机器人分为两类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。而服务机器人常常用于在银行、商场、酒楼、售房部、酒店等场合迎宾接待、导游服务以及广告宣传等服务性行业，该种服务机器人可以设定迎宾、问询、送餐、结账、娱乐等工作模式，服务机器人具有智能替代人力的特点，此外，具有与人互动的功能，相比生活中的服务员，服务机器人能够更好地取悦和吸引顾客或者客户等，并且能给顾客或者客户带来全新的服务体验，同时服务机器人可以节省商家的人工成本；可以满足长时间工作的同时还能够保证优质服务，避免了人工服务由于长时间工作产生疲倦导致顾客或者客户的满意度下降的情况，大大提高了工作效率。

服务机器人的其中一个重要应用是与门禁系统结合以为场所提供安全保卫功能，也即门禁机器人或安保机器人。现有的门禁系统或门禁机器人通常单纯采用密码或者指纹识别来判断来访者的身份。

然而，现有的指纹识别装置顶部为水平结构，容易受到手指上水或油污的干扰，在没有合适擦拭设备的情形下，往往多次刷按或者换多个手指刷新直至顶部水渍或油污蒸发一部分才能成功识别，识别成功率较低，用户体验较差。此外，现有的指纹识别装置仅位于移动设备的一小部分区域，为仅能一次检测一枚指纹的分立装置。当用户的指纹被恶意套取时，或者用户处于睡眠等意识不清醒状态而被第三方握住手指强行按压时，仅能识别一枚指纹的装置无法有效保护移动设备的安全性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服上述缺陷而提供一种能够有效防止水渍或油污干扰指纹识别的装置，应用这种指纹识别装置的触摸屏显示器，以及使用这种触摸屏显示器的智能设备和智能机器人。

本发明提供了一种指纹识别装置，包括：基板；基板上的驱动电路和光电传感器阵列，用于识别指纹；与基板相对的盖板，用于保护驱动电路和光电传感器阵列，其中盖板能向上凸起以排走水滴和/或油脂。

进一步包括间隔件，在基板和盖板之间。

任选地，间隔件包括芯柱，芯柱周围的绝缘层，以及芯柱顶部的固定件。

任选地，芯柱和/或固定件的材质包括金属、金属的合金、金属的导电氮化物、金属的导电氧化物。

任选地，绝缘层包含黑色填料。

任选地，固定件上部宽度大于下部宽度。

任选地，固定件下部侧壁为弧形、垂直侧壁、倾斜侧壁。

其中，间隔件与盖板之间留有空隙。

任选地，采用惰性气体或保护液体填充空隙。

任选地，空隙起到毛细管的作用。

任选地，空隙与负压源相连。

其中，向芯柱和/或固定件通电以加热盖板使其向上凸起。

任选地，相邻的间隔件/固定件之间电压极性相反。

其中，盖板包括热膨胀系数不同的底层和中层，以及在中层之上的、疏水疏油的顶层。

其中，顶层材料包括有机硅、有机氟、含f的硅氧烷基化合物、改性二氧化硅。

任选地，盖板受热使得中层向上凸起，与底层之间形成间隙。

任选地，保护液体流入间隙形成凸透镜。

本发明也公开了一种触摸屏显示器，包括多个像素，其中每个像素或每隔多个像素设置一个上述指纹识别装置。

本发明还公开了一种智能设备，包括一个或多个上述指纹识别装置，其中所述指纹识别装置分布在智能装置的相同面的不同区域中、或者在不同面上

本发明也公开了一种智能机器人，使用根据上述的触摸屏显示器或智能设备而与用户交互。

依照本发明的指纹识别装置及其触摸屏显示器，利用双层盖板之间的热膨胀系数不同形成凸起以利于水渍或油污滑落，提高了指纹识别装置的表面洁净度从而提高识别成功率，并且在触摸屏显示器中集成多个指纹识别装置从而提高了设备的安全性。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1显示了根据本发明实施例的服务机器人系统的示意图；

图2显示了根据本发明实施例的服务机器人输入面板的输入密码界面示意图；

图3a显示了根据本发明实施例的未受压状态下指纹识别装置的剖视图；以及

图3b显示了根据本发明实施例的受压状态下指纹识别装置的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能提高指纹识别成功率的装置和触摸屏显示器。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种系统部件或方法步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰系统部件或方法步骤的空间、次序或层级关系。

如图1所示，根据本发明实施例的门禁机器人包括：位于头顶的高灵敏度麦克风1，用于采集或接收周围环境声音信息或人员语音信息；位于额部的高清摄像头2，用于采集或接收人员面部的拓扑结构信息（例如骨骼轮廓）；位于眼部的表情传感器3a和3b，用于捕获人员的面部细节（例如虹膜，视网膜，眉毛或眼角的动态变化，嘴唇或牙齿反映的微笑程度，耳朵或鼻尖的轻微抽动）从而反映人员的生物信息或情绪信息；位于机器人各个部分触摸传感器，包括下巴触摸传感器4、腹部触摸传感器7、头顶触摸传感器10、左耳/右耳触摸传感器12a/12b、后脑触摸传感器13、左肩/右肩触摸传感器15a/15b、臀部触摸传感器17，这些触摸传感器用于识别与用户的触感互动，从而提高对于用户身份或情绪识别的精确度，并且提供与用户肢体接触的应力信息以反馈、修改机器人躯体的移动/转动参数；位于脖颈部的3d深度摄像头5，用于采集周围场景的景深信息；位于胸部的输入面板6，用于显示虚拟的键区（如图2所示）并且利用面板下内置的光电传感器扫描获得各个按键区内指纹或指纹的一部分；位于下腹部的2d激光雷达8，用于测量用户或场景中其他移动物体与机器人的距离，辅助判定对象的高度、移动速度、肢体静止/行走姿态等；位于足部的全向移动轮9，用于驱动整个机器人沿预存或者实时判定选择的路径移动；位于耳部的扬声器11a/11b，用于向用户传递语音、音频信息；位于后背部的急停开关14，用于紧急停止机器人的移动或动作，便于提高安全性；位于后腰部的开机按钮16，用于人工启动门禁机器人的操作系统以提供接待、咨询服务；位于手部的手部生物传感器18，用于采集用户的指纹、测量用户的皮肤含水量（电阻率）或粗糙度、测量与用户握手的应力、测量用户脉搏或毛细血管的含氧量等；位于腿侧面的充电接口19，以及位于腿背面的电源开关。

如图2所示，在图1的门禁机器人的输入面板6上显示虚拟的标准键盘，包括多个字母、数字、符号。虚线椭圆代表用户输入密码时手指按压的范围和顺序，其中1号虚线椭圆代表用户首先按压了j、u、i三个字母的交叉区域，2号虚线椭圆代表用户接着按压了r、f两个字母的交叉区域，3号虚线椭圆代表用户继续按压了字母y……（后续密码输入过程未示出）。

根据本发明实施例的输入面板6能够在面板的多个按键区识别用户的完整指纹或部分指纹，从而提高指纹验证的安全性。以下参照图3a详细说明指纹识别装置的具体构造。

如图3a所示，根据本发明实施例的指纹识别装置包括，底部的玻璃、塑料、树脂材质的绝缘基板6a，顶部的盖板叠层6c，在基板6a和盖板叠层6c之间的多个间隔件6b，形成在基板6a上的驱动电路6d，以及与驱动电路6d电耦合的光电传感器6e。驱动电路6d为低温多晶硅工艺制备的tft，光电传感器6e为igzo有源层的晶体管构成的矩阵以利用指纹的凹凸不平导致反射光（反射的环境光，或者由光电传感器集成的led、激光器等辅助光源所发光的反射光）变化来测量用户的指纹或局部指纹。基板、盖板和间隔件所围成的封装空间内的其他结构例如层间绝缘层、钝化层、金属互联线、电源等在图3a中并未示出。

根据本发明的优选实施例，间隔件6b包含多个子构件：位于中心的竖直方向延伸的芯柱6b1，由金属（cu、al、ag、au、ti、ta、w、mo等及其组合）、金属合金、导电金属氮化物、或导电金属氧化物（例如ito、izo、igzo等），用于提供机械支撑，同时与恒定电流源或电压源连接以利用寄生/串联电阻发热而改变盖板叠层6c的形貌。芯柱6b1可以是围绕封装空间的连续本体，也可以是离散的多个子芯柱的阵列。在芯柱6b1的外周上喷涂或旋涂包含黑色填料的绝缘树脂以构成绝缘保护层6b2，除了隔离绝缘间隔件与封装空间内的传感器之外，还进一步吸收散射、反射在侧壁上的光以避免干扰相邻元件。优选地，芯柱6b1侧面包含多个（周期性）凸起以增大与保护层6b2的接触面积，从而提高了两者的结合强度，即使后续芯柱6b1流过电流产生热量也不会使得保护层6b2剥离脱落。在芯柱6b1的顶部具有与芯柱6b1材质相同或相近（从而使得导电率相近）盖板固定件6b3，其上部宽度大于下部宽度，例如为“t”型。固定件6b3通过宽度较大的上部来卡扣固定盖板叠层6c，而通过宽度较小的下部所留下的空间（未标出）容纳盖板叠层6c的变形部分。固定件6b3下部的侧壁可以如图3a所示为弧形等光滑曲线，也可以为垂直侧壁，或者倾斜侧壁例如三角形、梯形、σ型等。固定件6b3与盖板叠层6c之间夹持的空间内可以填充惰性气体或者保护溶液，溶液优选透明性好、粘度较大、渗透率较小、润滑性良好、且与周围结构不会反应同时也不会影响光电传感器工作的液体，该空间尺寸（例如最大宽度）较小，例如仅30nm～2μm，以利用毛细作用将后续操作过程意外引入的流体抽吸排出，优选地，与未示出的负压源相连以提高抽吸速度。

根据本发明的优选实施例，盖板叠层6c也包括多个子构件也即底层6c1、中层6c2、顶层6c3，均为绝缘且透明的材料。底层6c1与中层6c2为热压合堆叠且两者热膨胀速率不同，例如中层6c2的热膨胀速率大于或小于底层6c1。例如底层6c1为石英、玻璃等材质较硬的材料，而中层6c2为塑料、树脂等材质较软的材料。底层6c1通过（周期性）凹凸结构或粘合层（均未示出）与芯柱6b1固定在一起。顶层6c3为疏水疏油的保护涂层，材质例如有机硅、有机氟、含f的硅氧烷基化合物（诸如全f聚醚-硅氧烷）、改性二氧化硅（例如，掺杂氧化铝、氧化钙并真空脱气以减少羟基反应）。顶层6c3与油墨的接触角大于等于40度、下落角小于等于10度，而与水的接触角大于等于115度。优选地，顶层6c3的表面粗糙度ra小于等于2.4nm以使得滑动摩擦系数小于等于0.1。顶层6c3的厚度较薄以具备足够的柔性而利于弯曲，例如厚度为3～25nm。优选地，在形成顶层6c3之前，在中层6c2上形成透明导电材料（例如ito、iao、izo、igzo等）而连接芯柱6b1或固定件6b3以促进电流分布均匀从而控制使得温度变化均匀、弯曲分布均匀。

在手指并未按压指纹识别装置时，如图3a所示，盖板堆叠6c的各个子层受到固定件6b3的挤压而水平贴合在一起。当手指接近或不完全贴合指纹识别装置时，光电传感器6e感受到光照条件变化，向控制器（未示出）发送信号，控制器通过连线（未示出）控制电流源或电压源向芯柱6b1、固定件6b3通电，施加的电流使得两者被加热。而由于与芯柱、固定件搭接的盖板底层6c1、中层6c2两者的热膨胀系数不同，这两层弯曲程度不同，例如图3b所示底层6c1热膨胀系数小基本不弯曲而中层6c2热膨胀系数大而弯曲较大，因此在两者之间形成间隙6c4，也即使得中层6c2向外/向上凸起。如此，使得分布在中层6c2上的顶层6c3也向外/向上凸起，手指上残留的水液或油脂即便停留在图3a所示的水平顶面上也因为这种外凸而向周边流动。因此，提高了光电传感器6e正上方的清洁程度从而提高了指纹识别的精度。进一步，保护液从固定件6b3的下部空间进入间隙6c4，如此形成了凸透镜，会聚了光路，进一步增强了了指纹识别的精度。进一步，相邻间隔件之间（如图3a左右两侧的间隔件）电压极性相反，如此使得人体携带的静电被吸附在汗液或油脂中的颗粒上时，颗粒在相邻间隔件之间表面电场作用下加速向四周移动而快速清洁识别装置顶部。

在本发明一个优选实施例中，智能设备正面上设置了至少一个上述指纹识别装置，每个指纹识别装置的尺寸（也即芯柱6b1的间距）大于手指指纹的尺寸（最大宽度），可用于同时识别至少一个手指的指纹。多个指纹识别装置可以分布在智能设备正面的不同区域，例如均位于正面上方或下方；也可以分布在智能设备的正反两面上，例如正面一个用于识别拇指，背面多个用于识别食指、中指等等。

在本发明的其他优选实施例中，智能设备的触摸显示屏包括多个（例如n×n个）像素，每个像素或者每隔多个（例如m个）像素设置一个上述指纹识别装置，用于识别指纹的一部分。如图2所示，每个按键区代表由间隔件6b（包括芯柱6b1/保护层6b2/固定件6b3）包围的感测空间，也即各个按键区之间空白部分对应于间隔件6b，而按键区的方框代表从顶部看到的图3a所示盖板叠层6c1/6c2/6c3。由此，当手指按照虚线椭圆框所示逐次按压触摸显示屏时，各个按键区的盖板依次受热外凸而将水滴或油脂排开，提高了指纹识别精度。

依照本发明的指纹识别装置及其触摸屏显示器，利用双层盖板之间的热膨胀系数不同形成凸起以利于水渍或油污滑落，提高了指纹识别装置的表面洁净度从而提高识别成功率，并且在触摸屏显示器中集成多个指纹识别装置从而提高了设备的安全性。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对系统、方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的系统和方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。